DE102012113043A1

DE102012113043A1 - System zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung

Info

Publication number: DE102012113043A1
Application number: DE201210113043
Authority: DE
Inventors: Stefan Pilz; Sven Matthias Scheibe; Hendrik Zeun
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1) zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung zwischen einer ersten Einheit (2) und einer zweiten Einheit (3), bei dem eine der Einheiten (2, 3) einen abstimmbaren Schwingkreis (6, 7) mit einer Resonanzfrequenz aufweist, wobei der Schwingkreis (6, 7) zumindest eine Induktivität (Ls) und zumindest einen Kondensator (C1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Netzwerk (N) vorgesehen ist, das zumindest zwei parallele Zweige (Z1...Zn) mit je zumindest einer Induktivität oder einem Kondensator (C2...Cn) umfasst, und dass zumindest ein Schaltmittel (P2...Pn, S1...Sn) vorgesehen ist, das durch gezieltes Zuschalten und/oder Abschalten einzelner Zweige (Z1...Zn) die Resonanzfrequenz des Schwingkreises (6, 7) verändert.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung zwischen einer ersten Einheit und einer zweiten Einheit.
Ohne Beschränkung soll das Funktionsprinzip der Erfindung anhand der kontaktlosen Energie- und Datenübertragung zwischen einer übergeordneten Einheit, etwa einem Messumformer, und einem Sensor erläutert werden.
Üblicherweise wird der Sensor über ein Kabel an eine übergeordnete Einheit, z.B. einen Messumformer angeschlossen. Die Verbindung Kabel-Sensor erfolgt häufig über eine Steckverbindung, beispielsweise durch eine galvanisch entkoppelte, insbesondere eine induktive Schnittstelle. Somit können kontaktlos elektrische Signale übertragen werden. Durch diese galvanische Trennung zeigen sich Vorteile hinsichtlich Korrosionsschutz, Potentialtrennung, Verhinderung mechanischer Abnutzung der Stecker usw. Die induktive Schnittstelle ist üblicherweise als System mit zwei Spulen ausgestaltet, die beispielsweise ineinander gesteckt werden. Darüber hinaus wird über diese Schnittstelle Energie übertragen.
Für die Daten- bzw. Energieverbindung ist ein Schwingkreis in der ersten und zweiten Einheit vorgesehen. Dabei ist der Wirkungsgrad am höchsten, wenn die Übertragungsfrequenz des Schwingkreises der ersten Einheit der Resonanzfrequenz des Schwingkreises der zweiten Einheit entspricht.
Die technischen Anforderungen an Verlustleistung, Güte der Bauelemente, Kopplungsfaktor von Primär- und Sekundärkreis etc. machen einen Abgleich des Sekundärkreises notwendig, insbesondere wird die Induktivität des Schwingkreises angepasst.
Das Anpassen der Induktivität ist derzeit sehr aufwändig, da:

1. zunächst der Arbeitspunkt des Schwingkreises indirekt durch eine
halbautomatische Prüfung vermessen wird,
2. anschließend – wenn notwendig – der Kern der Spule gekürzt wird,
3. und dann die halbautomatische Prüfung wieder durchgeführt werden muss. Wird die Prüfung jetzt nicht bestanden, müssen die Schritte 2. und 3. wiederholt werden.

Eine weitere Möglichkeit den Arbeitspunkt einzustellen ist eine Anpassung der Arbeitsfrequenz des Schwingkreises. Dann hat jede Schaltung eine individuelle Arbeitsfrequenz. Liegen dann mehrere solcher Schaltungen nebeneinander, kommt es unter Umständen zu einer Verkopplung der magnetischen Felder der Spulen. Diese Verkopplung führt zu einer Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses am Eingang und es kann deswegen zu massiven Kommunikationsstörungen führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Abstimmen der Resonanzfrequenz eines Systems zur kontaktlosen Übertragung von Daten und Energie zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein System umfassend eine erste Einheit und eine zweite Einheit, bei dem eine der Einheiten einen abstimmbaren Schwingkreis mit einer Resonanzfrequenz aufweist, und wobei der Schwingkreis zumindest eine Induktivität und zumindest einen Kondensator aufweist. Es ist dabei ein Netzwerk vorgesehen, das zumindest zwei parallele Zweige mit je zumindest einer Induktivität oder einem Kondensator umfasst, und dass zumindest ein Schaltmittel vorgesehen ist, das durch gezieltes Zuschalten und/oder Abschalten einzelner Zweige die Resonanzfrequenz des Schwingkreises verändert.
Es ergibt sich somit eine einfache Möglichkeit die Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu ändern. Es ist darüber hinaus möglich, den Abstimmprozess automatisiert durchzuführen. Es ergibt sich also eine Zeit- und Kostenersparnis. Die üblichen Bauteiletoleranzen können kompensiert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei der ersten Einheit um einen Messumformer und bei der zweiten Einheit um einen Sensor. Dabei ist „Messumformer“ nicht nur als Messumformer, sondern als Messumformer mit angeschlossenem Kabel zu verstehen. Das angeschlossene Kabel umfasst unter Umständen zumindest eine intelligente Einheit, etwa ein Mikrocontroller, zur Steuerung und/oder Regelung der Daten- und oder Energieübertragung zur zweiten Einheit.
In einer vorteilhaften Weiterbildung handelt es sich bei dem Schaltmittel um ein einmalig betätigbares Schaltmittel.
Bevorzugt handelt es sich bei dem einmalig betätigbaren Schaltmittel um eine Steckverbindung, eine Sicherung, insbesondere eine Schmelzsicherung, eine Bohrung, eine Fräsung oder eine Laserung.
Alternativ handelt es sich bei dem Schaltmittel um ein mehrmalig betätigbares Schaltmittel. So kann selbst im laufenden Betrieb noch die Resonanzfrequenz verändert werden.
Bevorzugt handelt es sich dem mehrmalig betätigbaren Schaltmittel um einen Schalter, insbesondere einen Halbleiterschalter, insbesondere um einen Transistor oder Thyristor.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Speichereinheit vorgesehen, welche die für die Resonanzfrequenz notwendigen Stellungen des mehrmalig betätigbaren Schaltmittels speichert. Es ist somit nicht notwendig bei jedem Start der ersten und/oder zweiten Einheit eine Anpassung der Resonanzfrequenzen neu durch zu führen, sondern es kann die vorherige Stellung oder eine Grundstellung verwendet werden. Bevorzugt verbraucht die Speichereinheit selbst keine Energie.
In einer Ausführungsform sind die Werte der Induktivitäten oder der Kondensatoren in den einzelnen Zweigen voneinander unterschiedlich. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Unterschied dabei als Zweierpotenz einer Einheitsinduktivität oder eines Einheitskondensators ausgebildet. Somit kann mit einfachen Mitteln ein großer Wertebereich abgedeckt werden und/oder die Resonanzfrequenz genau eingestellt werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
1 das erfindungsgemäße System,
2 der Schwingkreis des erfindungsgemäßen Systems in einer ersten Ausgestaltung, und
3 der Schwingkreis des erfindungsgemäßen Systems in einer zweiten Ausgestaltung.
In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Das erfindungsgemäße System in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1 dargestellt.
Das System 1 umfasst eine erste Einheit 2 (Primärseite) uns eine zweite Einheit 3 (Sekundärseite). Die erste Einheit 2 ist als Messumformer ausgestaltet. An den Messumformer 2 angeschlossen ist eine Sensorikkomponente 8. Die Sensorikkomponente 8 ist etwa als Kabel ausgestaltet. An das Kabel 8 wiederum ist eine zweite Einheit 3, hier ein Sensor angeschlossen. Kabel 8 und Sensor 3 sind über eine Schnittstelle 4 miteinander verbunden. Die Schnittstelle 4 ist dabei als kontaktlose Schnittstelle, etwa als galvanisch entkoppelte induktive Schnittstelle ausgestaltet. Über die Schnittstelle werden sowohl Daten (bidirektional) als auch Energie (unidirektional von Messumformer 2 zu Sensor 3) übertragen. Die induktive Schnittstelle 4 umfasst sowohl auf der Primärseite 2 als auch auf der Sekundärseite 3 einen Schwingkreis 6 bzw. einen Schwingkreis 7. In unmittelbarer Nähe zum Schwingkreis 6 auf Primärseite 2 ist ein Speicher 5 vorgesehen, auf den später noch eingegangen wird.
Im Folgenden sollen zwei Ausgestaltungen des Schwingkreises 6, 7 näher erläutert werden.
Der Schwingkreis 6, 7 wird allgemein gebildet zwischen den Klemmen Ps1 und Ps2 durch zumindest eine Induktivität Ls und einen Kondensator C1. In 2 und 3 wird durch eine Reiheninduktivität Ls und eine erste Kapazität C1 eine Grundresonanzfrequenz gebildet. Durch die Erfindung kann nun diese Grundresonanzfrequenz einfach verändert werden.
In 2 wird dies durch das Netzwerk N bewerkstelligt. Das Netzwerk N umfasst mehrere Zweige Z1 bis Zn, wobei der erste Zweig Z1 durch Induktivität Ls und die Kapazität C1 gebildet wird. Dabei steht „n“ für eine beliebig große natürliche Zahl. Selbstredend ist eine sinnvoll große Zahl, etwa n = 5, zu wählen.
Die Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 6, 7 wird in 2 durch ein einmalig betätigbares Schaltmittel bewerkstelligt. Parallel zur ersten Kapazität C1 sind mehrere weitere Kapazitäten C2 bis Cn angeordnet, jeweils in den Zweigen Z1 bis Zn. Jeweils in Reihe zu den Kapazitäten C2 bis Cn sind eine Schmelzsicherung F2 bis Fn und ein Anschluss P2 bis Pn angeordnet.
Die einzelnen Zweige Z1 bis Zn des Netzwerks N können mittels Durchbrennen der Sicherungen F2 bis Fn aufgetrennt werden. Das kann bei einem Abgleich erfolgen, indem zwischen den Knoten Ps1 und Px ein Strom generiert wird, der die Sicherung Fx durchbrennt. Dabei steht „x“ für eine der Nummern 1 bis n. Entsprechend stellt sich eine Gesamtkapazität C = C1 + {F2}C2 + {F3}C3 + {F4}C4 + ... ein, wobei {Fx} gleich 1 bei intakter Sicherung Fx und {FX} gleich 0 bei durchgebrannter Sicherung Fx.
Neben der Schmelzsicherung sind weitere einmalig betätigbare Schaltmittel eine Steckverbindung, eine Bohrung, eine Fräsung oder eine Laserung.
Das Einstellen der richtigen Resonanzfrequenz kann etwa während des Herstellungsprozesses der ersten Einheit 2 (bzw. Kabel 8) oder zweiten Einheit 3 erfolgen. Es ergibt sich somit eine einfache Möglichkeit die Resonanzfrequenz des Schwingkreises einzustellen. Um weiter Zeit und Kosten zu sparen, kann dies auch automatisiert erfolgen. Die üblichen Bauteiletoleranzen können kompensiert werden.
In 3 wird dies mit einem mehrmalig betätigbaren Schaltmittel bewerkstelligt. Es handelt sich dabei etwa um einen Schalter, insbesondere einen Halbleiterschalter, insbesondere um einen Transistor oder Thyristor.
Der Schwingkreis 6, 7 wird dabei aus der Reihenschaltung von einer festen Kapazität C1 und einer bis mehreren Kapazitäten C2 bis Cn gebildet. Die Gesamtkapazität ergibt sich aus der Reihenschaltung von C1 und der Kapazität die sich aus dem Schalten der Schaltelemente S1 bis Sn ergibt.
Es ist ein Speicher 5 vorgesehen, welcher die für die erforderliche Resonanzfrequenz notwendigen Stellungen der Schalter S1 bis Sn speichert.
Obwohl die Beispiele in 2 und 3 zuschaltbare Kapazitäten zeigen, kann der erfindungsgemäße Gedanke auch problemlos auf zuschaltbare Induktivitäten ausgeweitet werden.
Um die Resonanzfrequenz möglichst genau einstellen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Werte der zuschaltbaren Induktivitäten oder der zuschaltbaren Kondensatoren in den einzelnen Zweigen voneinander unterschiedlich sind. Dabei wird etwa eine Einheitsinduktivität oder eine Einheitskapazität gewählt und die weiteren Induktivitäten bzw. Kapazitäten sind als Zweierpotenz der Einheitsinduktivität oder eines Einheitskondensators ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: System
2: Erste Einheit
3: Zweite Einheit
4: Schnittstelle
5: Speicher
6: Schwingkreis
7: Schwingkreis
8: Kabel
Ps1: Klemme
Ps2: Klemme
Ls: Reiheninduktivität
C1...C4: Kondensator
S1...S4: Schalter
P2...P4: Trennmittel
F2...F4: Schmelzsicherung
N: Netzwerk

Claims

System (1) zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung zwischen einer ersten Einheit (2) und einer zweiten Einheit (3), bei dem eine der Einheiten (2, 3) einen abstimmbaren Schwingkreis (6, 7) mit einer Resonanzfrequenz aufweist, wobei der Schwingkreis (6, 7) zumindest eine Induktivität (Ls) und zumindest einen Kondensator (C1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Netzwerk (N) vorgesehen ist, das zumindest zwei parallele Zweige (Z1...Zn) mit je zumindest einer Induktivität oder einem Kondensator (C2...Cn) umfasst, und dass zumindest ein Schaltmittel (P2...Pn, S1...Sn) vorgesehen ist, das durch gezieltes Zuschalten und/oder Abschalten einzelner Zweige (Z1..Zn) die Resonanzfrequenz des Schwingkreises (6, 7) verändert.
System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der ersten Einheit (2) um einen Messumformer und bei der zweiten Einheit (3) um einen Sensor handelt.
System (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schaltmittel um ein einmalig betätigbares Schaltmittel (P2...Pn) handelt.
System (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem einmalig betätigbaren Schaltmittel (P2...Pn) um eine Steckverbindung, eine Sicherung, insbesondere eine Schmelzsicherung, eine Bohrung, eine Fräsung oder eine Laserung handelt.
System (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schaltmittel um ein mehrmalig betätigbares Schaltmittel (S1...Sn) handelt.
System (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich dem mehrmalig betätigbaren Schaltmittel (S1...Sn) um einen Schalter, insbesondere einen Halbleiterschalter, insbesondere um einen Transistor oder Thyristor, handelt.
System (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinheit (5) vorgesehen ist, welche die für die Resonanzfrequenz notwendigen Stellungen des mehrmalig betätigbaren Schaltmittels (S1...Sn) speichert.
System (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der Induktivitäten oder der Kondensatoren (C1...Cn) in den einzelnen Zweigen (Z1...Zn) voneinander unterschiedlich sind.
System (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied als Zweierpotenz einer Einheitsinduktivität oder eines Einheitskondensators ausgebildet ist.